铝电解计算机控制新思路与新技术贵州李劼.PPT课件

1 2020年4月23日 铝电解控制新思路及应用 李劼中南大学 冶金科学与工程学院 2 内容提要 1 技术背景2 低电压铝电解新工艺 五低三窄一高 3 新工艺下的控制思想 临界稳定控制4 新控制技术 智能多环协同优化与控制5 一个应用实例 郑州龙祥铝业 铝电解控制新思路及应用 3 1 技术背景 铝电解技术现状 能耗 直流电耗一般可降低到13300kWh t Al以下 综合交流电耗降低到14000kWh t Al左右温室气体排放 阳极效应系数控制在0 05以下 稍落后企业可控制在0 1左右电流效率 93 96 电能效率依然没有达到50 因此理论上还有很大的节能空间 铝电解控制新思路及应用 4 1 技术背景 大幅节能的根本途径 节能根本途径 降低槽平均电压提高电流效率 若电解电耗相同 则电流效率越高越好 铝电解控制新思路及应用 5 1 技术背景 低电压电解工艺的常见问题 但是 简单地通过降低极距来降低槽电压 往往显著恶化电流效率 能耗反而上升 近年来 降极距以外的降电压措施在我国取得显著节能成效 降低AE系数及AE持续时间降低欧姆电压降 阳极 阴极 电解质 母线 接触电阻 铝电解控制新思路及应用 6 1 技术背景 在保持高电流效率 高电解槽寿命 低阳极效应系数的前提下 降低槽电压 包括降低极距 低电压电解工艺的基本原则 铝电解控制新思路及应用 7 1 技术背景 实现低电压电解工艺的途径一 改变阴极结构 目的 改变阴极结构 从而改善磁流体稳定性 为大幅降低极距 从而大幅降低槽电压 创造条件 注 磁流体稳定性 降低槽电压的 拦路虎 实例 三个鉴定技术 天泰 东北大学 异型阴极鉴定时间 2008 9起始试验时间 2008 1鉴定统计时间 4个月试验槽数 3台槽容量 160kA槽电压 3 83V电流效率 92 9 直流电耗 12281 云铝 中南大学 曲面型阴极鉴定时间 2008 12起始试验时间 2007 9鉴定统计时间 15个月试验槽数 5台槽容量 75 186 200kA槽电压 3 862V电流效率 95 直流电耗 12178 中铝郑州研究院导流型阴极鉴定时间 2009 4起始试验时间 2008 12鉴定统计时间 3个月试验槽数 1台槽容量 140kA槽电压 3 76V电流效率 94 1 直流电耗 11907 使用上述 非平面型 阴极结构 对计算机控制技术提出了更高的要求 铝电解控制新思路及应用 8 1 技术背景 实现低电压电解工艺的途径二 改进工艺和控制 目的 通过调整电解槽工艺并改进控制策略 在不对电解槽停产改造 即不改变电解槽结构 的前提下 实现 三高两低 的目标 高单位产能 高电流密度 由0 72A cm2升至0 83A cm2以上 高电流效率 93 5 94 5 高槽寿命 槽龄2500天以上 低电耗 低电压 3 85 3 90V 吨铝直流电耗 12400kWh 低排放 低阳极效应系数 0 02次 槽 日 实例 鉴定技术 预焙铝电解槽电流强化与高效节能综合技术的开发及应用 中南大学 郑州龙祥铝业 2010 5 25 铝电解控制新思路及应用 9 2 低电压铝电解新工艺 五低三窄一高 低电压 3 8 3 9V 低电解温度 925 935 低过热度 10 左右 低氧化铝浓度 1 8 2 5 低阳极效应系数 0 02 窄物料平衡工作区窄热平衡工作区窄磁流体稳定性调节区高电流密度 0 83A cm2 体现以企业综合效益为最优的工艺思想 以 五低 追求电解过程的高电效 低电耗和低排放 以 三窄 追求电解过程的平稳性和电解槽长寿命 以 一高 追求电解过程强化增产 并满足低电压下的热平衡要求 注 五低 中没有 低分子比 因为分子比的设置应该根据电解质中 自然积累 的LiF MgF2 CaF2 KF的含量来设计 不能一概而论 铝电解控制新思路及应用 10 3 新工艺下的控制思想 临界稳定控制的思想 要使电解槽在新的工艺条件下 建立新的和稳定的动态平衡 新的和稳定的动态平衡对应较低的临界极距 从而可以保持较低的工作电压 并实现 三高两低 的目标 铝电解控制新思路及应用 11 电流效率 极距曲线上的临界拐点往往就是电解槽稳定性 极距曲线的临界拐点 临界极距无法在线直接检测也无需在线直接检测 因为可以通过计算机控制系统对槽电压稳定性 槽噪声 特性进行分析来间接判断 临界极距并不是一个固定值 它与电解槽的具体工况相关 电解槽的稳定性越好 临界极距就越小 电解槽就可以在较低的极距高效稳定运行 电流效率 极距变化曲线 对应 电流效率 槽稳定性变化曲线 关于临界极距 注 传统工艺下的临界极距约 4 0 4 5cm 目前 新工艺下的临界极距可降至 3 65 3 8cm如果不能成功降低临界极距 那么降电压会导致电流效率大幅降低 3 新工艺下的控制思想 铝电解控制新思路及应用 12 3 新工艺下的控制思想 三窄 理念的提出与实现 要实现新工艺下的 临界稳定 运行 就必须将电解槽热平衡 物料平衡和磁流体稳定性的波动范围控制在一个很窄的区域 因此 我们提出了 三窄 窄物料平衡工作区 窄热平衡工作区 窄磁流体稳定性调节区 的理念 在我们开发的 智能多环协同优化与控制 程序中分别设立了反应电解槽热平衡 物料平衡和磁流体稳定性波动程度的特征参数 用于对槽况稳定性进行 三维 描述 并通过控制系统对这些变量的分析与控制来实现 三窄 控制目标 铝电解控制新思路及应用 13 3 新控制技术 必要性在新工艺条件下 电解槽运行状态是一种介于 稳定 与 不稳定 之间的临界状态 换言之 新工艺条件使电解槽走向高效低耗运行的同时 也使电解槽临近对工艺参数变化及噪声干扰极度敏感的 不稳定 区域 在临界状态下 电解槽物料平衡 能量平衡及磁流体稳定性相互耦合强烈 新型控制技术需要解决参数耦合强烈 可控区域变窄的临界状态下的稳定运行问题 我们提出了智能多环协同优化与控制的思想与方法 智能多环协同优化与控制技术 铝电解控制新思路及应用 14 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 多目标综合优化函数计算 多参数临界状态的动态智能辨识 物料平衡智能控制 热平衡 极距 智能控制 槽稳定性智能控制 智能多环协同优化 智能多环协同控制算法的基本构成 铝电解控制新思路及应用 15 3 新控制技术 多目标综合优化函数计算传统技术 对物料平衡及热平衡的控制是通过将相关设定参数控制在人工设定的目标范围内来实现控制目的 一方面人工设定值很少经常调整 另一方面人工设定值往往并不一定是最优值 本技术 构造多目标综合优化函数 根据 现实 的工艺技术条件及其与 理想 的工艺技术条件之间的偏差 按照 立足现实 追求理想 的理念 计算出一个与 现实 条件下最相匹配 同时又能推动 现实 向 理想 迈进的一组控制目标值 动态目标值 这组动态目标值不是单纯从追求某一个控制目标来确定 而是兼顾电解槽运行的四个方面 即高电效 低电耗 低排放和高稳定 在确定动态目标值后 控制系统再据此对相关人工设定参数作出一定范围内的调整 达到对人工设定值进行 自寻优 的目的 智能多环协同优化与控制技术 铝电解控制新思路及应用 16 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 多参数临界状态动态智能辨识传统技术 单一的参数估计 主要跟踪估计氧化铝浓度 部分技术试图跟踪估计电解质温度和过热度 本技术 多参数临界状态动态智能辨识 对反映电解槽物料平衡 热平衡和稳定性的状态参数与特征参数 氧化铝浓度 极距 过热度 磁流体稳定性特征参数等 进行实时跟踪估计 获得对电解槽 当前实际状态 的完整描述 对与 当前动态目标值 相对应的 当前临界状态 进行辨识与分析 并对 当前实际状态 与 当前临界状态 临界氧化铝浓度 临界极距 临界过热度 临界稳定性等 的差距进行估算与分析 为 智能多环协同优化与控制 提供控制决策依据 使电解槽的状态尽可能向 临界状态 靠近 铝电解控制新思路及应用 17 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 多参数临界状态动态智能辨识 多参数临界状态动态智能辨识 模块的一大特色是 充分利用电解槽运行在 临界状态 附近时阳极气膜电阻对物料平衡 热平衡及极距的变化十分敏感这一特点 设计出新一代功能强大的 槽电阻噪声分析器 该分析器通过对槽电阻噪声进行细致的频谱分析 从频谱图中辨识出氧化铝浓度 过热度 极距以及炉膛状态信息 将频谱辨识方式获得的信息与其他分析方式获得的信息进行综合分析 就可以得到更加准确的电解槽 当前实际状态 与 当前临界状态 信息 铝电解控制新思路及应用 18 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 物料平衡智能控制在传统模糊激励分档及模糊推理的基础上 提出了窄区域氧化铝浓度控制算法 通过引入激励强度因子和激励速度因子 增加物料平衡分析在氧化铝浓度控制综合分析中的权重 使浓度控制不但能控制在低浓度区域 而且精度明显提高 在物料平衡控制中 利用 多参数临界状态动态智能辨识 的辨识结果 引入 临界 过热度影响因子及 临界 磁流体稳定性影响因子 从而充分考虑热平衡及槽稳定性这两个环节对物料平衡的耦合作用 铝电解控制新思路及应用 19 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 热平衡 及极距 智能控制在极距调节的决策算法中 利用 多参数临界状态动态智能辨识 的辨识结果 引入 临界 过热度影响因子 临界 氧化铝浓度影响因子和 临界 磁流体稳定性影响因子 从而使热平衡及极距的控制不再是简单的基于槽电阻单因素分析的电压调节 为了进一步增强电解槽下料控制与极距调整之间的协同性 提出了 两中心 两优先 的协同控制策略 下料控制与极距调整的关系中 浓度跟踪期间以下料控制为中心 人工改变控制参数时 以极距调整为中心 在热平衡 及极距 与目标的偏差大时 极距调整优先 反之下料控制优先 针对换极对临界状态下的能量平衡控制影响非常显著这一特点 优化了换极后的能量平衡控制策略 使换极时的能量损失尽快得到补偿 铝电解控制新思路及应用 20 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 槽稳定性智能控制利用 多参数临界状态动态智能辨识 获得的槽稳定性辨识结果 包括 当前稳定性 临界稳定性 以及这两者的发展趋势和两者之间的差异 对与槽稳定性相关的设定参数进行调整 并在电解槽稳定性越过了某一极限时直接转入特定的下料与极距控制模式 铝电解控制新思路及应用 21 3 新控制技术 智能多环协同优化与控制技术 智能多环协同优化设计了一种 智能多环协同优化策略 它依据 多目标综合优化函数计算 模块以及 多参数临界状态动态智能辨识 模块的输出 确定物料平衡 热平衡 及极距 槽稳定性这三个控制环的发展方向并作出控制优化决策 这种优化决策包括对上述三个控制环中使用到的相关影响因子进行调整 从而达到了协同优化与控制的目标 铝电解控制新思路及应用 22 3 新控制技术 两级全分布式铝电解智能控制系统 槽控机硬件体系升级 强化运算功能 铝电解控制新思路及应用 23 3 新控制技术 多CPU网络型槽控机逻辑单元的基本构成 槽控机为3 CPU网络体系结构 内含三个智能模块 CPU升级强化运算功能 槽控机硬件体系升级 强化运算功能 铝电解控制新思路及应用 24 4 应用实例 龙祥铝业 选择的工业试验对象 一个最具挑战性的电解槽系列 郑州龙祥铝业公司的原设计容量为154kA 平均槽龄超过1500天 且曾因供电紧张和经济危机等原因多次停槽开槽 选择这一对象的理由 如果在这样一种电解槽系列上取得成功 那么说明开发出来的技术接受了最 恶劣条件 的考验 应该比在新电解生产线上开发出来的技术具有更强的生命力和更好的适应性 铝电解控制新思路及应用 25 4 应用实例 龙祥铝业 全系列 134台槽 应用考核结果 2009 7 2010 4 电流强化 即产能强化 12 5 154kA升级为180kA 槽电压从4 15 4 20V降低至3 83 3 88V 电流效率从92 提高到93 5 直流电耗由13600kWh t Al降至12400kWh t Al目前正在多家企业推广应用 铝电解控制新思路及应用 26 4 应用实例 龙祥铝业 部分测试结果 炉膛内型测定 与新技术应用前的铝电解槽炉帮相比 应用后的铝电解槽A面和B面炉帮平均厚度比较大 且厚度均匀 厚度偏差小 表明炉膛规整 且侧部保温相对较好 散热较小 炉帮形成状况表 铝电解控制新思路及应用 27 4 应用实例 龙祥铝业 部分测试结果 槽壳温度测定 新技术应用后 铝电解槽A B面槽壳平均温度几乎相等 新技术应用前 电解槽A B温差较大 达到19 且槽壳温度要高出30 50 槽壳平均温度测量统计 单位 铝电解控制新思路及应用 28 4 应用实例 龙祥铝业 部分测试结果 氧化铝浓度测定 可见 抽样检测结果在预期的浓度控制范围1 80 2 50 中 平均氧化铝浓度为2 07 标准差为0 122 新技术应用后的氧化铝浓度检测结果 铝电解控制新思路及应用 29 4 应用实例 龙祥铝业 物理场仿真研究结果 铝电解控制新思路及应用 1 电场仿真研究 从目标槽的铝液部分的电流密度分布 可以看出最大电流密度为15454A m2 且分布均匀 有利于流场中两漩涡分布的形成 三台相连电解槽的槽电压降分布 电解槽铝液电压分布 电解槽电解质电压分布 电解槽铝液层电流密度矢量分布 30 4 应用实例 龙祥铝业 物理场仿真研究结果 铝电解控制新思路及应用 2 磁场仿真研究 整体磁场分布基本和原来一样 但是磁场的极值和平均值均有增大趋势 这由于电流强度增大引起的 属于正常变化范围 总体来看 磁场比较合理 七台相连电解槽的母线电流源模型 铝液水平磁场Bx分布 铝液水平磁场By分布 铝液水平磁场Bz分布 31 4 应用实例 龙祥铝业 物理场仿真研究结果 铝电解控制新思路及应用 3 热场仿真研究 在新工艺技术条件下 槽帮形状基本上满足要求 电解槽温度场分布基本合理 电热有限元模型 电解槽二维槽帮形状计算结果 电解槽1 4整槽温度场分布 电解槽内衬温度场分布 电解槽阴极钢棒与炭块温度场分布 32 4 应用实例 龙祥铝业 物理场仿真研究结果 铝